Omeprazole (見下圖)是一個很強的胃酸抑制劑,從1988年問世到2004年,估計己有八億人用過這個藥品。它可有效地治療很多种與胃酸有關的疾病,副作用少毒性 低,藥到病除,有如菩薩的仙丹,恩澤蒼生。筆者本人也曾患食道逆流症,服用此藥一段時間後,悶胸及心窩下灼熱感,基本上消除了。可是,在吃藥的這段時間 裡,一不小心,也蒙受了一次嚴重的”旅行腹瀉”,上吐下瀉,有如食物中毒。這個對眾生以及筆者本人,有大功也有小過的藥品,到底是一個什麼藥品,它的功過 又是從何而來,筆者不禁好奇地去鑽研了一陣子,沒料到它竟然如此引人入勝,峰迴路轉,柳暗花明,從如何問世到變成無需處方的成藥(OTC),整個過程充滿 了傳奇,在每一個關卡,每一個領域,几乎都會出現意外的驚喜,很值得走一趟它的歷程,談談它的傳奇。


圖1


Omeprazole並不是從天然物衍生而來。它的構造式不是由自然界啟示而來,完全是靠medicinal chemistry的原理”構造式與活性關係” (structure and activity relationship,SAR),一步一步發展出來的。從一個原始的引導物,經過無數次的構造式的改修及篩選,循著各种線索,逐漸變化,最後才得到 omeprazole。1960年代瑞典Astra公司旗下的一個研究性藥廠,Hassle 藥廠,開始研發抑制胃酸分泌的藥品。初期的研究,用老鼠的反應來篩選化合物,曾找出一個化合物,對老鼠很有效,對人卻完全無效,遭到很大挫折。到了 1972年,改用狗作試驗,重新開始研究,才大有進展 。文獻搜尋結果,他們找到一個化合物(CMN131)(見下圖),有抑制胃酸分泌的作用,於是把它當作引導化合物,開始一連串的SAR研究。這個化合物的 急性毒性很大,他們認為這毒性是thioamide官能群基帶來的,於是在SAR中設法把它稀釋淡化,把它熔入雜環(heterocyclic ring)中或是放在二個雜環之間,最後得到了一個pyridine-benzimidazole化合物(H124/26)(見下圖),具有很強的胃酸抑 制作用,而沒有thioamide的急性毒性, SAR的研究就轉向到這一体系化合物,準備開展了。


圖2


可是巧不巧,這個化合物卻早被一個匈牙利的藥廠合成過,而且己註冊擁有專利,宣稱作為治療結核病的藥品,Hassle不能動它。可是很幸運地,它 的一個氧化代謝物(H83/69) sulphoxide化合物(見上圖),並沒有包括在專利中,更幸運的是,這個代謝物的抑制胃酸作用比原物更強,Astra在這個意外的驚喜中,將之命名 為timoprazole ,轉向這個化合物,全面展開SAR的研究,。

在這當中,發現一個很奇怪的現象,抑酸作用與化合物的不安定性有如影隨形的關係,抑酸作用愈強,化合物愈不安定。愈安定的化合物,抑酸作用愈差。 構造式上一點點的變化,例如在6位多一個甲基,新化合物完全無抑酸作用,但卻很安定。Pyridine上的N本是在2位,把它換到3或4位,新化合物完全 無藥效,卻很安定。Benzimidazole上的一個N用C代替,變成indole也一樣,新化合物完全無效,卻很安定。這兩者間,這麼罕見的關係意味 著什麼?我們以後會談到。


圖3



在長期毒性實驗中,發現timoprazole 會使甲狀腺腫大,使胸腺(thymus)萎縮,這差點使timoprazole這一系列化合物被淘汰。這种毒性是thiourea類化合物的通見副作用 (後來知道因為它們會抑制碘的吸收),而timoprazole和這類化合物,在含硫部分的構造上很相近,因此也會抑制碘的吸收而產生毒性。文獻搜尋結 果,發現這一大類的化合物中,有一類含硫的imidazole化合物,其中有几個,在雜環上接有一些取代基,它們都沒有這個副作用。把這些取代基接到 timoprazole上後,新化合物抑制碘吸收的副作用大大減少,而抑制胃酸的作用並沒改變,這個結果大大鼓舞士氣。再經過進一步的修改,變換取代基, 以求最大抑酸作用及最小抑碘作用,得到了picoprazole,藥效強又長,長期副作用又少。

取代基會有這种傳奇地的效果,在SAR的研究中,實在少見。通常,一個具有藥理作用團基(pharmacophore)基本構造的化合物,在光裸 的結構上接上取代基,只會使藥理的主作用及副作用有強度上的不同,不會有逆轉勝的戲劇地改變,但是在這裡卻是如此發生。Timoperazole,一個沒 有取代基的光裸結構,接上取代基後,副作用几乎完全消失,而主作用完全不變,確是一個意外的驚喜。它讓timoperazole這一系列化合物的研究,敗 部復活。

在這個時期,体外in vitro的篩選方法同時有了突破性進步,使SAR的研究更方便快速,甚至可以用人類的組織來直接試驗。當時己知道有二個方法,可以抑制胃酸分泌,一是抑 制副交感神經的acetylcholine,另一是抑制組織胺(histamine)。Timoprazole抑酸的作用部位(site of actin)是不是發生在這兩個部位,或是在其他部位,當時還不清楚,還在探索。 在這同時,在另一領域裡,對於胃酸分泌的深入研究有了重大發現。很多証據顯示,活化胃壁(parietal)細胞上的一個酵素, H+,K+-ATPase, 是胃酸分泌最後且是最重要的步驟。(這個我們會在後面詳細談到)。Timoprazole與它有關係嗎?

在一個”抗体對細胞的免疫反應”研究中,偶然得到一個異常現象,透露出一個線索。研究人員由胃壁細胞分泌膜作出一种抗体,然後與不同細胞進行免疫 反應,發現抗体對胃壁細胞呈現很強的免疫反應,但是很奇怪地,它對甲狀腺也呈現少許免疫反應。研究人員沒有放棄這個線索,回想到timoprazole對 甲狀腺也有少許副作用,而聯想,會不會timoprazole與那個”抗体”一樣,二者對甲狀腺都是副作用,而真正主要的作用--強力抑酸作用,與抗体一 樣,都是發生在胃壁細胞分泌膜,發生在分泌膜內,抗体所對抗的抗原蛋白,那個當時新發現的酵素蛋白H+,K+-ATPase上。這樣的創新奇想引導他們走 向正確的方向,往後的研究,証明它確實是這樣。

首先觀察到Timoprazole的抑酸作用,不具有競爭性的抑制作用,而己知的二种抑酸劑,像atropine等抗副交感神經劑 (anticholinergics),以及cimetidine等H2 抑制劑,它們的抑酸作用,是具競爭性的抑制作用,這個差異,初步排除了這二种可能。另外對胃酸分泌的進一步研究,知道鉀離子K+與dibutyryl cyclic AMP也會刺激胃酸的分泌。一個實驗顯示picoprazole(timoprazole的衍生物)會明顯地,抑制由鉀離子K+與dibutyryl cyclic AMP這二個化合物引起的胃酸分泌,而atropine 以及cimetidine都不會抑制。這個結果清楚顯示picoprazole的作用部位不在副交感神經或組織胺感受体,它同時也顯示 picoprazole與H+,K+-ATPase有密切關連,因為鉀離子K+與dibutyryl cyclic AMP這二個化合物與H+,K+-ATPase的活性有很密切關係。為了研究這個抑酸的作用是不是與H+,K+-ATPase直接有關,研究人員進一步把 H+,K+-ATPase分離出來。在另一個實驗中,將picoprazole直接與H+,K+-ATPase反應,結果很清楚地顯示它抑制了質子轉移 (proton transfer)也就是抑制了氫離子(酸)的排出,如下圖所示。氫離子(酸)的排出可以用acridine orange 吸收值(absorbance)的變化得知。


圖4


圖中下面的曲線,表示沒給picoprazole的對照組,H+,K+-ATPase的質子轉移机制在給ATP後啟動,質子馬上發生轉移(吸收值 快速降低),上面几近水平的直線,顯示給了較高濃度的picoprazole後質子轉移完全被抑制了,給ATP後完全沒有質子(氫離子)轉移發生(吸收值 沒有降低)。由此而得知picoprazole的抑酸模式是在抑制H+,K+-ATPase的質子轉移。進一步的一個研究,証明了這個質子轉移之抑制,是 因為H+,K+-ATPase的活性被抑制所致,如下圖所示.


圖5


圖中H149/94就是picoprazole。它的濃度愈高(橫軸向右), H+,K+-ATPase的活性愈低(縱軸向下),(酵素的活性可藉磷酸鹽(P)放出的量而定),而cimetidine與atropine濃度變化完全 沒有影響H+,K+-ATPase的活性。到此,研究人員結論:picoprazole,或是具取代基的benzimidazole系列化合物,抑制胃酸 分泌的作用模式是,抑制H+,K+-ATPas的活性,從而抑制質子轉移,阻止氫離子(酸)的排出。往後,利用碳14放射性同位素標幟的 omeprazole研究,發現几乎所有的同位素都集中在胃壁細胞,進一步深究,証實碳14同位素都結合在H+,K+-ATPase上。於是藥物史上一類 新的胃酸抑制劑就此誕生了,醫藥界稱之為H+,K+-ATPase質子幫浦抑制劑(proton pump inhibitor),我們現在很熟悉它,常簡稱它為PPI。(為什麼H+,K+-ATPase會被稱為質子幫浦以後我們會談到)

往後的研究就朝這個方向繼續推展,變換取代基,求最好的溶解度,安定性,pKa,最佳的H+,K+-ATPase抑制效力,最低的毒性等等,最後 選擇了一個化合物,在pyridine 環上具有二個甲基(methyl),一個甲氧基(methoxy) 在benzimidazole環上具有一個甲氧基,命名為omeprazole.(這些取代基都有其意義功效的,以後我們會再提到)。初期的動物安全性試 驗顯示,它不會影響碘吸收,也不會導致胸腺萎縮,一般毒性很低也很少。於是在1980年提出新藥申請,1982年開始人体試驗,結果令人充滿希望,眼看一 個新藥就要誕生了。

但是在這同時,1984年間,在老鼠身上,長期終生給予高劑量的毒性實驗,發現老鼠胃中出現類似癌(carcinoid)的腫瘤(endocrine tumor),這一下子全部的臨床實驗都暫停了。Omeprazole 面臨空前危机,有可能會被淘汰。

所幸,在另外一個研究胃酸分泌的領域裡,對gastrin的研究結果,厘清了這個問題。胃酸分泌還受到一個賀爾蒙,gastrin,的控制,上述 的腫瘤是胃內一种特殊細胞的增生(hyperplasia)。在正常情況下,這個細胞受到gastrin 的刺激後,會製造並分泌組織胺,組織胺再刺激胃壁細胞,分泌胃酸。如果胃酸少了,体內有回饋機制,會催促gastrin從胃竇(antrum)分泌出,刺 激那個細胞分泌組織胺,再刺激胃壁細胞,分泌胃酸。如果胃酸長期減少,gastrin 就因回饋機制而長期地分泌,那個特殊細胞長期受到多量的gastrin的刺激,自然地增生,久而成腫瘤。這是gastrin血中濃度太高 (hypergastrinemia)的結果。這個因果關係可以很合理地解釋omeprazole的情況。老鼠長期受到高劑量omeprazole的作 用,胃中的胃酸變得很少,gastrin因体內回饋作用,變得很多,長期下來,那個特殊細胞就出現增生腫瘤。切除胃竇的老鼠都不會產生這种增生.因為沒有 地方可分泌gastin出來。另外,老鼠長期給予高劑量的H2 抑制劑,ranitidine,長期胃酸壓少了,也會引起同樣的類似癌。再者,老鼠在手術切除部分胃,引起血中gastrin過高症後,久之也會引起同樣 的類似癌。所以,這個類似癌的出現只與gastrin有直接關係,與omeprazole沒有直接關係,omeprazole本身並沒有這种致癌性。只要 劑量正常,服藥期間不要太長,就沒有發生這种類似癌的危險,況且它只發生在老鼠,因那個特殊細胞在老鼠胃組織裡含量超多,其他數種動物那個特殊細胞的含量 正常,都沒有發生這种類似癌。這個結論真是一個天大的驚喜。

從此,陰影一掃而空,柳暗花明,康莊大道呈在眼前。臨床試驗相繼再度展開,結果都令人鼓舞,在各种與胃酸有關的疾病中,呈現的治療效果,都比當時 最有效的H2抑制劑,如cimetidine,ranitidine,famotidine等有效很多,而且副作用及毒性低又少。1988年在歐洲首先獲 准問市, omeprazole從此誕生,開啟了質子幫浦抑制劑(PPI)治療各种與胃酸有關的疾病的紀元。

這次就談到這裡。Omeprazole 上市之前以及之後,還有很多學理上的意外驚喜,我們下次再談它獨特的化學性質以及制酸的作用机轉。



本文之圖文以及構造式取自於下列文獻,謹此誌謝.

1:E.Fellenius,T.Berglindh,G.Sachs,L.Olbe,B.Elander,S.Sjostrand,B.Wallmark.Nature.1981;290:159-161.Substituted Benzimidazoles Inhibit Gastric Acid Secretion by Blocking(H+K+)ATPase

2:L.Olbe,E.Carlsson,P.Lindberg.Nat Rev Drug Discov.2003;2:132-139.H+,K+-ATPas.A Proton-Pump Inhibitor Expedition: The Case Histories of Omeprazole and Esomeprazole

圖1


圖2


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